Термоелектричний опріснювач солоної води на основі “сонячного ставка”

Реферат: UA 103904 U UA 103904 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв для опріснення високомінералізованої природної та морської води і може бути застосована у сільському господарстві, хімічній і харчовій промисловості і ін. У наш час для людства глобальною стає проблема отримання води, придатної для пиття. Наприклад, ряд районів України має величезні запаси підземних вод із загальною мінералізацією 1-35 г/л. Така вода може стати придатною для вживання за умови її опріснення. Відомо багато пристроїв для опріснення води, які працюють, використовуючи хімічне осадження, електродіаліз, прямий або зворотний осмос, виморожування, випаровування і багато інших [1]. Одним з найдоступніших, простих і порівняно дешевих пристроїв опріснення води є ті, що використовують принцип дистиляції. Однак, навіть для таких пристроїв витрати теплової енергії складають біля 40 % від вартості отриманої води. Тому ведуться активні дослідження зі створення більш ефективних, маловитратних пристроїв для опріснення води. Відомий пристрій для опріснення води, який працює з використанням сонячної енергії [2]. Він складається з: ємкості із солоною водою, яка перекривається пласкою огорожею з покриттям, що поглинає сонячне випромінювання; конденсатозбірника, виконаного у вигляді трубки, що проходить через зону конденсації водяної пари. Недоліком такого пристрою опріснення є значні теплові втрати з пласкої поверхні в навколишній простір, неможливість функціонування при відсутності освітлення достатньої інтенсивності, мала продуктивність, тривалий час процесу опріснення та інші. За сукупністю спільних ознак найближчим аналогом до запропонованої корисної моделі вибрано відомий апарат для опріснення води, описаний в [3]. Апарат для опріснення води містить корпус з отвором для зливу води, термоелектричний модуль для заморожування і розморожування морської води, пристрій для відведення і прийому прісної води; трубопроводи для подачі солоної води; блок керування; нагрівальний та охолоджуючий вузли; систему видалення сольового залишку. Попри оригінальність такого апарата, він має ряд недоліків, основними з яких є висока (до 480 хвилин) тривалість отримання прісної води; неефективне використання термоелектричних модулів Пельтьє як пристрою для охолодження та кристалізації води з наступним нагріванням льоду. Термоелектричні модулі мають різні режими оптимізації для роботи в якості охолоджувача і в якості нагрівника, тому попри і так невеликий ККД модулів, використання одних і тих же модулів для охолоджування і нагрівання є неоптимальним [4] і лише збільшує енерговитрати на опріснення води. Важкопрогнозованим є ступінь очищення води від солей. Крім того, опріснення води з використанням заморожування не гарантує дезінфекції отриманої талої води. В першу чергу замерзає важка вода, що містить ізотоп водню, який вважається радіоактивним. Щоб уникнути радіоактивного забруднення, потрібно видаляти перший шар замороженої води, що ще більше ускладнює і без того складний спосіб отримання прісної води при використанні такого апарату. Тому задачею запропонованої корисної моделі є створення термоелектричної системи опріснення солоної води, позбавленої вищезазначених недоліків, яка б характеризувалась енергоощадністю, доступністю і простою у використанні. Поставлена задача вирішується тим, що термоелектричний опріснювач солоної води солоної води, що містить систему трубопроводів, по яких циркуляційним насосом прокачується солона вода, нагрівальний та охолоджувальний вузли, засіб управління зливом опрісненої води, систему видалення сольового залишку та блок управління, згідно з корисною моделлю, опріснювач складається з: випаровувача солоної води, розташованого в придонній конвективній зоні "сонячного ставка", причому зовнішня частина корпусу випаровувача має тепловий контакт з гарячою водою придонної конвективної зони "сонячного ставка", за рахунок якого нагрівається і випаровується солона вода; термоелектричного конденсатора водяної пари, що містить блок охолоджуючих модулів Пельтьє; термоелектричних генераторів, гарячі спаї термобатарей яких через теплопроводи мають тепловий контакт із зовнішньою частиною корпусу випаровувача; водяного теплообмінника, з яким мають тепловий контакт гарячі спаї модулів Пельтьє у конденсаторі водяної пари і холодні спаї термобатарей термогенераторів, а циркуляція води у якому, здійснюється через прісну зону "сонячного ставка" за допомогою циркуляційного насосу; системи електричного живлення циркуляційних насосів і модулів охолодження Пельтьє, як від термоелектричних генераторів, що використовують для роботи теплову енергію "сонячного ставка", так і від традиційних джерел електропостачання; системи підтримання заданого градієнту солоності "сонячного ставка" за рахунок солі, виділеної в процесі опріснення солоної води. У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для конструкції пристрою, що використовують для опріснення солоної води. Конструкція термоелектричного опріснювача солоної води базується на використанні теплової енергії "сонячного ставка". Переважна частина 1 UA 103904 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 енергетичних витрат по опрісненню води здійснюється за рахунок відновлювального джерела теплової енергії, яким є "сонячний ставок". Він представляє собою неглибоку (2-3 метра глибини) природну або штучну водойму, у якій існує градієнт солоності за профілем води. Вода у придонній конвективній зоні "сонячного ставка" нагрівається сонячною радіацією до 100 °C і більше. "Сонячний ставок" водночас є і потужним акумулятором теплової енергії. Оригінальність і ефективність запропонованої корисної моделі полягає в тому, що морську воду випаровує випаровувач, який відбирає тепло від "сонячного ставка". Водночас тепло випаровувача забезпечує роботу термоелектричних генераторів, які, при потребі, додатково до традиційних джерел живлення живлять циркуляційні насоси і модулі Пельтьє в термоелектричному конденсаторі водяної пари. Охолодження холодних спаїв термогенераторів і гарячих спаїв модулів Пельтьє забезпечує водяний теплообмінник, циркуляція води по якому здійснюється через прісну зону "сонячного ставка". Крім того конструкція опріснювача передбачає наявність системи підтримання заданого градієнту солоності "сонячного ставка" за рахунок солі, виділеної в процесі опріснення солоної води. Промислове використання запропонованого пристрою не вимагає спеціальних технологій і матеріалів. Його реалізація можлива на існуючих підприємствах будівельної, харчової, хімічної, приладобудівної промисловості. Функціонує запропонований пристрій наступним чином. Солона вода, що подається у випарник, нагрівається до температури випаровування за рахунок теплової енергії "сонячного ставка" у придонній - найбільш нагрітій, зоні якого розташовується випаровувач. Спочатку випаровуються легкі фракції води, які у вигляді пари переходять у термоелектричний конденсатор, де вони охолоджуються перетворюючись у прісну воду. Залишки солей у вигляді ропи виводяться із випаровувача системою видалення сольового залишку, а прісна вода з конденсатора видаляється з нього засобом управління зливом прісної води. Живлення насосів і модулів Пельтьє в конденсаторі водяної пари забезпечує блок термоелектричних генераторів, який працює за рахунок тепла "сонячного ставка". Для збільшення продуктивності термоелектричного опріснювача живлення системи нагрівання води у випаровувачі, рівно як і живлення модулів охолодження Пельтьє у конденсаторі водяної пари, може додатково забезпечуватись за рахунок традиційних джерел електропостачання. Охолодження холодних спаїв термогенераторів і модулів Пельтьє забезпечується водяними теплообмінниками, циркуляція води по яких здійснюється через зону прісної води "сонячного ставка". При цьому тепло віддається воді "сонячного ставка". Крім того, для підтримання заданого градієнта солоності "сонячного ставка" може використовуватися виділена в процесі опріснення солоної води сіль. Таким чином забезпечується автономна, максимально енергоощадна робота термоелектричного опріснювача солоної води. Підтвердженням промислової придатності запропонованої корисної моделі є нижченаведена оцінка. У роботі [5] наведена інформація про реалізацію низки проектів з використанням "сонячних ставків" для отримання електроенергії різними способами. За даними [5] питома потужність паротурбінних установок, що використовують теплову енергію "сонячного ставка", складає біля 2 20 Вт/м поверхні водойми. Коефіцієнт корисної дії (ККД) паротурбінних установок, що використовують низькопотенційну теплову енергію є найнижчим із відомих технологій генерування електроенергії непрямим способом. Він складає біля 7 %. Водночас, для температурного режиму "сонячного ставка" ККД термоелектричного генератора буде близьким до 1-1,5 %. Тому термоелектричним способом перетворення теплової енергії "сонячного ставка" 2 можна отримувати біля 2,5-2,8 Вт/м . Відповідно із сонячного ставка розміром 20×20 (м) можна отримати 1-1,1 кВт електроенергії. Циркуляційний насос для подачі холодної води в зону охолодження гарячих спаїв термобатарей в конденсаторі споживає не більше за 0,1-0,15 кВт. Вода, нагріта теплом, що пройшло через термобатарею, самостійно, без затрат електроенергії поступатиме в зону "сонячного ставка" з прісною водою. Солона вода у випаровувач може також поступати самопливом, без затрат електроенергії. Отже, для живлення системи конденсації водяної пари можна використати біля 1 кВт електроенергії. Для конденсації водяної пари її достатньо охолодити на декілька градусів. Розрахунки показують, що при її охолодженні на 50 °С при затраті 1 кВт електроенергії можна отримати 3 кВт холодопродуктивності, що дозволяє отримати ~ 4,8 л/год. конденсованої води, тобто біля 115 л/добу. Подальшого збільшення продуктивності опріснення солоної води запропонованим способом можна досягти як за рахунок підвищення енергоефективності "сонячного ставка", так і за рахунок додаткового використання енергоресурсів традиційних джерел живлення. 2 UA 103904 U 5 10 Завдяки простоті, енергоефективності і доступності такий пристрій може використовуватись будь-де, навіть серед водних солоних просторів, на кораблях, морських платформах, тощо. Джерела інформації: 1. Слесаренко В.Н. Сучасні методи опріснення морських і солених вод. - М., 1973. 2. АС СРСР № 1483199 А1. Сонячний опріснювач. Карнаухов Н.С., подано 10.07.87, опубл. 30.05.89 р., бюл. № 20. 3. http://kolonka-astra.ru/ogliadi/statty/1414-ustanovki-oprisnennja-morskoi-vodi-chast-1.html. 4. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник. - К.: Наукова думка. 1979. - 768 с. 5. Лобунець Ю.М. Сонячний ставок з термоелектричним перетворювачем енергії / Лобунець Ю.М. // Термоелектрика. - 2013. - № 2. - С. 91-94. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 Термоелектричний опріснювач солоної води, що містить систему трубопроводів, по яких циркуляційним насосом прокачується солона вода, нагрівальний та охолоджувальний вузли, засіб управління зливом опрісненої води, систему видалення сольового залишку та блок управління, який відрізняється тим, що складається з випаровувача солоної води, розташованого в придонній конвективній зоні "сонячного ставка", причому зовнішня частина корпусу випаровувача має тепловий контакт з гарячою водою придонної конвективної зони "сонячного ставка", за рахунок якого нагрівається і випаровується солона вода; термоелектричного конденсатора водяної пари, що містить блок охолоджуючих модулів Пельтьє; термоелектричних генераторів, гарячі спаї термобатарей яких через теплопроводи мають тепловий контакт із зовнішньою частиною корпусу випаровувача; водяного теплообмінника, з яким мають тепловий контакт гарячі спаї модулів Пельтьє у конденсаторі водяної пари і холодні спаї термобатарей термогенераторів, а циркуляція води у якому здійснюється через прісну зону "сонячного ставка" за допомогою циркуляційного насоса; системи електричного живлення циркуляційних насосів і модулів охолодження Пельтьє, як від термоелектричних генераторів, що використовують для роботи теплову енергію "сонячного ставка", так і від традиційних джерел електропостачання; системи підтримання заданого градієнта солоності "сонячного ставка" за рахунок солі, виділеної в процесі опріснення солоної води. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3